Das Poster zeigt die kleinsten Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen, die durch spezielle Teilchen vermittelt werden. Elementarteilchen sind punktför- mig und haben keine bisher bekannte innere Struktur. Sie besitzen fundamental unterschiedliche Eigenschaften, die sie eindeutig voneinander unterscheiden. Die Prozesse, an denen diese Teilchen beteiligt sind, werden in einem einheitlichen theoretischen Rahmen, dem Standardmodell der Teilchenphysik, beschrieben. Es wurde in den 1960er und 1970er Jahren entwickelt. Dieses Modell basiert einer- seits auf der Quantenmechanik, die das Verhalten von Materie bei sehr kleinen Abständen beschreibt, andererseits baut es auf Einsteins spezieller Relativitäts- theorie auf, die bewegte Objekte mit nahezu Lichtgeschwindigkeit beschreibt.
Mit wenigen, experimentell messbaren Parametern (sog. freie Parameter) bes- chreibt das Standardmodell mit nur zwölf Elementarteilchen alle bisher bekann- ten mikroskopischen Phänomene.
1. Was zeigt dieses Poster ?
Die Elementarteilchen werden in der Mitte des Posters nach ihrem Typ und ihrer Familie klassifiziert, die Teilchen rechts nach den Wechselwirkungen, die sie vermitteln. Zusätzlich gibt ein ,,Dimensionsturm’’ Größe und Struk- tur verschiedener Objekte an. Oben links ist eine Übersicht über in der Sonne stattfindende Prozesse. Ein kurzer Text zur Antimaterie steht un- ten links auf dem Poster.
Warum gibt es vier Wechselwirkungen?
Das wissen wir nicht. Der Traum ist eine Vereinigung aller fundamentaler Prozesse zu einer einzigen Wechselwirkung, wie es Maxwell schon bei der Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus vorführte und wie es in der jüngeren Vergangenheit auch bei der elektro-schwachen Wechselwirkung de- monstriert wurde.
Warum gibt es drei Familien?
Auch hier gibt es bisher keine Antwort. Wir wissen nur, dass die ,,Kopien’’ der Bestandteile gewöhnlicher Mate- rie existieren. Nach heutigem Wissensstand gibt es nicht mehr als drei Familien.
Warum sind die Massen der Materie- bausteine und Wechselwirkungsteil- chen so weit gestreut?
Die Antwort des Standardmodells auf diese Frage ist die Vorhersage des sogenannten ,,Higgs Bosons’’. Physiker suchen schon seit mehr als 15 Jahren nach diesem Teil- chen, zuerst am LEP, einem Elektron-Positron Beschleu- niger am CERN (bei Genf), und heute an einem Proton-Antiproton Beschleuniger am Fermilab bei Chicago. Die große Hoffnung ist, das Higgs Boson mit dem LHC zu entdecken. Der LHC ist ein großer Protonenbeschleuniger, der momentan am CERN gebaut wird und 2007 erste Daten nehmen soll.
Warum fehlt Antimaterie im Universum ?
Kurz nach dem Urknall, in dem das heutige Universum seinen Anfang fand, gab es der Theorie nach genauso viel Materie wie Antimaterie. Beide sollten sich später gegenseitig ausgelöscht haben, so dass keinerlei Materie zurückbleiben sollte.
Offensichtlich ist dies nicht der Fall : Unser Universum ist daher vermutlich das Re- sultat einer kleinen Störung des ursprünglichen Gleichgewichts. Ein kleiner Übers- chuss an Materie damals macht heute die sichtbare Materie aus. Niemand weiß genau, wo dieser anfängliche Unterschied herkommt, aber die Untersuchung von einigen subtilen Aspekten der schwachen Wechselwirkung verspricht, Licht in diese Angelegenheit zu bringen.
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Der Dimensionsturm
Die linke Seite zeigt, in welcher Form Materie der angege- benen Größe auftritt. Auf makroskopischen Skalen (Skalen des täglichen Lebens) finden wir Objekte der Größenordnung von Metern. Größere Objekte werden von Astronomen in Form von Galaxien etc. beobachtet.
Auf kleineren Skalen erkennt man, dass sich Materie aus Mo- lekülen zusammensetzt, die wiederum aus einer Ansammlung von Atomen bestehen. Die Atome besitzen eine Größe von 10-10 m.
Der Hauptanteil der Masse eines Atoms ist im Atomkern konzentriert, der aus Protonen und Neutronen (sog. Nukleo- nen) besteht. Letztere sind keine Elementarteilchen : Seit den 1960ern weiß man, dass Nukleonen aus punktförmigen Teil- chen, den Quarks und Gluonen, zusammengesetzt sind.
Elementare Bausteine
Elementarteilchen unterscheiden sich in ihrer Masse, in ihrer elektrischen Ladung und in ihrem Spin. Der Spin ist eine in- nere Eigenschaft der Elementarteilchen: Er ähnelt einer Rota- tionsachse und besitzt Eigenschaften, die denen eines kleinen Magneten ähneln. Teilchen mit ganzzahligem Spin (0,1,2,...) sind sog. Bosonen, während Teilchen mit halbzahligem Spin (1/2,3/2,...) als Fermionen bezeichnet werden. Letztere gehor- chen dem Pauli Ausschlussprinzip. (Das Feld der Teilchenphy- sik ist sehr international: Satyendranath Bose war Inder, En- rico Fermi Italiener und Wolfgang Pauli wurde in Österreich geboren.)
Das Pauliprinzip besagt, dass sich zwei identische Fermionen innerhalb eines Systems nicht im gleichen Quantenzustand befinden können. Dieses Prinzip erklärt auch, warum Elektronen in einer Schalenstruktur um einen Atomkern angeordnet sind und nicht alle in den Grundzustand der niedrigsten Energie zurück- fallen. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl an Bosonen in einem gegebenen Quan- tenzustand nicht be-schränkt. Dies wird beim Laser ausgenutzt, in dem eine große Anzahl an Photonen in den gleichen Zustand versetzt wird.
Teilchenphysiker unterscheiden zwischen ,,Materieteilchen’’ und ‘’Wechselwirkungs- teilchen’’. Materieteilchen, mittig auf dem Poster abgebildet, wechselwirken mitei-
Leptonen
Leptonen (griech : ,,leichte Teilchen’’) werden von der schwachen Wechselwirkung beein- flusst, nicht jedoch von der starken Kraft. Das Elektron (e) und sein Begleiter das Elektron-Neu- trino (νe) bilden die erste Familie. Ihre Duplikate in den anderen zwei Familien sind das 1937 in der kosmischen Strahlung entdeckte Myon (μ), das Tau (τ), welches erstmals 1976 an einem Beschleuniger produziert wurde, und die zuge- hörigen Neutrinos (νμ und ντ). Elektron, Myon und Tau sind enge Verwandte mit der- selben elektrischen Ladung qe und gleichen Eigenschaften, obwohl ihre Massen sehr verschieden und die Geschmacksrichtungen (Flavors) eindeutig zugeordnet sind. Wie auch bei der zweiten und dritten Quarkgeneration sind Myon und Tau instabil und zerfallen in leichtere Leptonen.
Neutrinos sind elektrisch neutral und wechselwirken nur sehr selten mit Materie. Ein Neutrino kann die gesamte Erde ohne jegliche Wechselwirkung durchqueren! Neutri- nos sind demnach schwer nachzuweisen. Sie werden in großen Mengen in stellaren Verbrennungsprozessen produziert. Diese Teilchen wurden 1930 vorgeschlagen, um verblüffende Eigenschaften des Betazerfalls zu erklären. Es zeigte sich, dass Neutrinos in drei verschiedenen Geschmacksrichtungen auftreten: Das Elektron-Neutrino (νe), das 1956 entdeckt wurde, das Myon-Neutrino (νμ, 1964) und das Tau-Neutrino (ντ, 2000). Lange Zeit war man der Auffassung, dass Neutrinos absolut masselos seien.
Experimentelle Ergebnisse aus den letzten Jahren beweisen allerdings, dass Neutrinos auf ihrem Weg ,,oszillieren’’ können: Sie wechseln teilweise ihre Geschmacksrich- tung, während sie z.B. von der Sonne zur Erde fliegen. Solche Oszillationen gibt es nur, wenn Neutrinos eine von Null verschiedenen Masse besitzen, sie sind also nicht masselos !
4. Einige offene Fragen
Trotz der scheinbaren Einfachheit des Posters bleiben viele Rätsel bisher ungelöst.
Ausgehend von den Informationen auf dem Poster stößt man auf die folgenden Fra- gen.
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nander, indem sie die Wechselwirkungsteilchen ,,austauschen’’ - rechts abgebildet.
Es gibt drei ,,Familien’’ von Materieteilchen, wobei die erste Familie die gewöhnliche Materie aufbaut. Die anderen beiden Familien werden nur in der kosmischen Strah- lung und an Hochenergie-Teilchenbeschleunigern beobachtet. Materieteilchen sind in zwei Kategorien unterteilt, die Quarks und die Leptonen. Die starke Kraft wirkt auf Quarks, nicht aber auf Leptonen. Alle Materieteilchen sind Fermionen.
Alle physikalischen Phänomene, die im Universum auftreten, können durch vier fun- damentale Wechselwirkungen (Kräfte) beschrieben werden. Auf subatomarem Niveau können diese Wechselwirkungen durch die ausgetauschten Wechselwirkungsteilchen gekennzeichnet werden – rechts abgebildet. Alle Wechselwirkungsteilchen sind Bo- sonen.
Die Sonne
Im Inneren der Sonne finden Prozesse aller vier Wechselwirkungen statt. Die Prozesse in der Sonne sind ein Beispiel für die wichtige Rolle, die Wechselwirkungen in unserer Welt spielen. Die Gravita- tion ist im Inneren der Sonne so stark, dass die extreme Dichte von Wasserstoff die elektrostatische Abstoßung zwischen Protonen überwindet und die Fusion von zwei Protonen zu einem Deuteron hervorruft. Dieser Prozess wird von der schwachen Wechselwirkung geregelt. Bei der vorherrschenden Fusionsrate brennen Sterne langsam auf astronomischen Zeitskalen ab.
Nach der ursprünglichen Fusion von Protonpaaren pro- duziert eine Kette von nuklearen Reaktionen, die auch durch die starke Wechselwirkung vermittelt werden, eine große Vielfalt von schweren Kernen. Die Energie, die in solchen Prozessen frei wird, wird in elektromagnetische Energie umgewandelt, d.h. in Wärme und in Licht, was wir jeden Tag erfahren.
Antimaterie
Obwohl das Universum scheinbar kom- plett aus Materie besteht, haben Beobach- tungen und Experimente gezeigt, dass zu jedem Materieteilchen ein zugehöriges Antiteilchen gehört, das abgesehen von einer entgegengesetzten Ladung die glei- top (= oben, t) und bottom (= unten, b). Diese ausgefallenen und scheinbar willk-
ürlichen Namen sind mit der Geschichte der Entdeckung der Quarks verknüpft.
Die ‘’up’’ und ‘’down’’ Quarks weisen sehr ähnliche Eigenschaften auf, inklusive einer Symmetrie, die ähnlich zu der Beschreibung von Spin 1/2 Teilchen ist. Das
‘’strange’’ (engl. : ,,seltsam’’) Quark erhielt seinen Namen durch die ,,seltsamen’’
Erscheinungen, die erstmals in den 1950er Jahren in Hadronen, die dieses Quark beinhalten, beobachtet wurden. Das Charm-Quark wurde 1975 entdeckt und erst- mals eingeführt, um (durch Zauberei (=charm)) experimentelle Beobachtungen zu erklären, die der Theorie nach nicht hätten auftreten dürfen. Abschließend wurden die ‘’top’’ und ‘’bottom’’ Quarks, die man 1977 und 1995 entdeckte, in Analogie zu up und down benannt. Das b Quark nennt man manchmal auch ‘’beauty’’
(,,Schönheit’’).
Quarks spüren die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung. (Sie wechselwirken auf Grund ihrer Masse auch gravitativ, was aber vernachlässigt wer- den kann). Ihre elektrische Ladungen (1/3 qe und -2/3 qe) sind Bruchteile der Elek- tronenladung qe, die einen Zahlenwert von 1.6 * 10-19 Coulomb besitzt. Quarks können nie einzeln beobachtet werden, da sie in Dupletts oder Tripletts innerhalb beobachtbarer Teilchen gefangen gehalten werden. Aus Symmetriegründen und wegen des Auftretens bestimmter Invarianzen sind Quarks in drei verschiedene Familien unterteilt. Die erste enthält das u und das d Quark. Sowohl Protonen als auch Neutronen sind aus unterschiedlichen Kombinationen dieser beiden Quarks zusammengesetzt : uud bildet ein Proton und udd ein Neutron. Die beiden ande- ren Familien sind einfach schwerere Varianten der ersten, sie zerfallen in leichtere Quarks oder Leptonen. Ihre sehr kurze Lebensdauer ist kleiner als 10-10 s. Die Massen der Quarks sind sehr unterschiedlich: Das top Quark z.B. ist ca. 180 mal schwerer als ein Proton, das selbst aus drei leichten Quarks besteht. Zusätzlich be- sitzen Quarks eine dreikomponentige ,,Farbladung’’. Diese Farbladung, die nicht in der Tabelle aufgelistet ist, spielt in der starken Wechselwirkung eine ähnliche Rolle wie die elektrische Ladung im Elektromagnetismus.
Obwohl Quarks nicht direkt in Experimenten beobachtet werden, kann man hun- derte verschiedener Teilchen - Hadronen genannt - erzeugen und vermessen, die entweder aus drei Quarks oder aus einem Quark/Antiquark-Paar bestehen. Drei- Quark-Verbindungen, zu denen auch Protonen und Neutronen gehören, nennt man Baryonen (aus dem Griechischen, ,,schwere Teilchen’’), während Quark-An- tiquark Verbindungen als Mesonen (griech.: ,,mittelschwere Teilchen’’) bezeichnet werden.
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chen Eigenschaften wie das Materieteilchen besitzt. Man hätte daher zusätzlich zu Quarks und Leptonen eine Tabelle von Antiquarks und Antileptonen einführen kön- nen. Die bekannte Antimaterie wird entweder künstlich an Beschleunigern produ- ziert oder sie entsteht in Reaktionen zwischen Teilchen der kosmischen Strahlung mit gewöhnlicher Materie.
2. Die fundamentalen Wechselwirkungen
Zwei der vier fundamentalen Wechselwir- kungen sind offensichtlich Teil des tägli- chen Lebens und der ,,klassischen’’ Physik:
Die Gravitation und der Elektromagnetis- mus. Die beiden Kräfte besitzen eine unen- dliche Reichweite mit einer quadratisch mit dem Abstand zwischen den Teilchen abnehmenden Stärke. In der Quantentheo- rie bedeutet dies, dass das ausgetauschte Wechselwirkungsteilchen masselos sein muss. Es handelt sich hierbei um das Pho- ton im Elektromagnetismus und eventuell um ein Graviton in der Gravitation. Die Schwerkraft stellt ein Problem in der fun- damentalen Beschreibung von Kräften dar.
Man kann sie bisher nicht innerhalb der Quantenfeldtheorie beschreiben, obwohl diese die anderen drei Kräfte sehr erfolg- reich beschreibt. Die allgemeine Relativi- tätstheorie, die die Gravitation beschreibt, und die Quantenmechanik scheinen nur schwer zu vereinigen zu sein. Dieses Pro- blem beeinflusst die Teilchenphysik jedoch nicht, da die Gravitation hier nur eine un- tergeordnete Rolle spielt und i.A. auf Grund ihrer geringen Stärke auf mikroskopischen Skalen vernachlässigt werden kann.
Die beiden anderen Kräfte, die schwache und die starke Wechselwirkung, wurden im 20. Jahrhundert bei der Untersuchung von Atomkernen entdeckt. Um die Bindung von Protonen und Neutronen im Atomkern zu erklären, führte man die starke Kraft ein, die der elektrostatischen Coulomb-Kraft auf subatomarem Niveau entgegenwirkt.
Die Coulomb-Kraft drückt Protonen auseinander, lässt aber ungeladene Neutronen un-
beeinflusst. Diese Kernkraft wirkt nur auf kurzen Distanzen (10-15 m) mit hoher Inten- sität. Sie ist ein Aspekt der starken Wechselwirkung, die den Aufbau der beobachteten Teilchen aus Quarks erklärt. Es ist heute bekannt, dass Nukleonen (d.h. Protonen und Neutronen) und viele andere Teilchen, die z.T. erst in den letzten 50 Jahren entdeckt wurden, nicht wirklich ,,elementar’’ sind. Sie bestehen aus Quarks, die über den Aus- tausch von Gluonen wechselwirken. Die Gluonen ,,kleben’’ die Quarks zusammen.
‘’Glue’’ ist das englische Wort für Kleber/kleben. Die Gluonen, deren Existenz 1979 nachgewiesen werden konnte, haben genau wie die Photonen keine Masse. Die star- ke Wechselwirkung besitzt nur eine sehr beschränkte Reichweite. Daher beeinflusst sie weder makroskopische Prozesse, noch ist sie auf atomarem Niveau wirksam.
Die vierte und letzte Wechselwirkung ist die schwache Kraft, die für den Betazerfall verantwortlich ist. Diese Kraft wirkt auf Grund der hohen Masse der vermittelnden Teilchen - den W und Z Bosonen, die ca. 80 mal schwerer sind als Protonen ! - ebenfalls auf subatomaren Skalen. Diese Wechselwirkungsteilchen konnten das erste Mal 1984 am CERN, dem großen europäischen Forschungslabor in Genf (Schweiz), nachgewiesen werden. Makroskopisch ist die schwache Wechselwirkung für ther- monukleare Verbrennungen in Sternen verantwortlich. Sie ermöglicht die Fusion von zwei Protonen zu einem Deuteriumkern (das ist ein Proton und ein Neutron in einem gebundenen Zustand). Dabei werden Positronen und Neutrinos emittiert. Eine der wichtigsten Errungenschaften der Teilchenphysik ist die Vereinigung der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung in einem gemeinsamen Modell, in wel- chem beide Kräfte als Teilaspekte einer gemeinsamen Kraft auftreten. Die Krönung dieser theoretischen Erkenntnis ist die Entdeckung der W und Z Bosonen als Vermittler der Kraft und die Untersuchung ihrer Eigenschaften.
3. Quarks und Leptonen
Quarks
Quarks sind die Bestandteile der Nukleo- nen, die den Hauptanteil der ,,gewöhn- lichen’’ Materie ausmachen. Außer- dem bilden sie die Teilchenklasse der sogenannten Hadronen. Es gibt sechs Sorten (oder auch ‘’flavors’’ - ,,Gesch- macksrichtungen’’ genannt) : up (= nach oben, u), down (= nach unten, d), charm (= bezaubern, c), strange (= seltsam, s),
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